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强化传热在换热器中的应用

周士强
摘要:介绍强化传热的目的、种类及主要方法, 分析了各种方法的特点及适用范围和在石化生产装置上应用的可行性及发展动态。
关键词:强化传热换热器应用换热系数
1 前言
    换热器在石油炼制、石油化工生产中是保证加工过程正常运转的重要设备。据统计, 在现代石油化工生产中, 换热器的投资约占设备总投资的30 %~40 %[1 ] ,因此,节约能耗、物耗和节省投资,应用强化传热技术、减少设备尺寸, 减轻设备重量, 增强换热器的换热工况是每个工程设计人员追求的目标。
    强化传热是近年发展较快的一种新技术, 备受热工界的重视。各主要工业国都对此进行了大量的开发研究工作, 不少成果已在工业上应用, 并被誉为第二代传热技术。通过对国内外强化传热技术在换热器中的应用及发展动态进行调查和对比, 分析了几种强化换热技术的适用范围, 企盼为广大工程设计人员提供研究和应用的参考。
2 强化技术的目的和种类
2. 1 强化传热的目的
    不同的工艺对强化换热的具体要求也不相同,归纳起来,应用强化传热技术可以实现下述目的。
⑴减小设计传热面积,以减小换热器的体积和质量。
⑵提高现有换热器的换热能力。
⑶使换热器能在较低温差下工作。
⑷减小换热器的阻力,以减少换热器的动力消耗。
2. 2 强化传热技术的种类
    提高传热系数的传热技术可分为有功强化传热技术和无功强化传热技术两类。有功强化传热技术需要应用外部能量来达到强化传热的目的; 无功强化传热技术则无需应用外部能量。
    有功强化(亦称主动式强化) 传热技术包括: 机械强化法,振动、电场、磁场、光照射、喷射冲击等。
    无功强化(亦称被动式强化) 传热技术包括: 表面特殊处理法、粗糙表面法、扩展表面法和扰动流体法等。两种传热技术与光管对比结果,见表1。

换热器


    有功强化传热和无功强化抟热可以综合利用,以达到更好的传热效果。这种强化传热技术称为合成强化传热。
3 强化传热技术
    比较有效并有发展前景的强化传热技术主要有: 处理表面法、粗糙表面法、扩展表面法、流体旋转法及静电场法等。每种强化传热技术都有其局限性和适用范围。
3. 1 处理表面法
    滴状冷凝比膜状冷凝传热系数高, 表面张力大的流体更是这样。所以一般必须对冷凝壁面进行处理,以造成一个不为凝结液体湿润的冷凝壁面,经常采用的方法有三种:化学覆盖层法、聚合物涂层法和电镀法[1 ] 。这方面美、日、法三国研究较多[2 ] 。日本川崎公司钝化换热管时, 在溴化锂溶液中加入辛醇,使辛醇在换热管表面形成一层薄液膜, 水蒸汽在膜上呈滴状凝结。试验结果证明, 蒸汽冷凝传热系数提高20 % , 但处理表面随着使用时间的延长, 效率会逐渐降低。
3. 2 粗糙表面法
    在液体传热场合, 这种强化技术可以大大提高传热系数。因为, 在层流状态下, 如管壁粗糙度较小, 低速流体贴着管壁平滑地流过, 不形成漩涡, 但当相对粗糙度h/ R , 即粗糙高度与管子内半径之比增大时,流体不再平滑地流过管壁,在管壁附近会形成漩涡,即粗糙度对换热和阻力产生影响。
    美国采取在换热管内涂金属涂层的方法, 在管内形成砂粒型粗糙表面。试验结果发现, 可使传热系数强化1. 1 倍, 但粗糙壁面受结垢影响故对工质要求较严。英国Horwell 试验室制造的内表面有槽的EHT 型换热管的换热系数提高了1. 5 倍。关于粗糙表面法强化传热技术, 美国很多资料都有介绍。
3. 3 扩展表面法
    当换热管一侧是气体, 一侧是液体进行强制对流换热时, 最常用的强化手段是采用扩展表面的方法。因为气体的给热系数比液体的小得多, 一般小10~50 倍。众所周知,传热系数K 值的变化主要取决于较少给热系数侧的变化, 因此在气体侧采用异形扩展换热面, 可以使普通扩展换热面的换热系数再提高50 %~150 % ,从而缩小换热器尺寸。
    异形扩展面常用的形式很多,如交叉短肋型、波型翅多孔型、百页窗型、低翅片管型、销钉型等。立式换热器则可采用螺纹管、纵槽管和波纹管等强化传热, 效果显著。该项强化技术已有许多成功经验和定型技术, 国内应用也不少, 哈尔滨科技大学、西安交通大学等对翅片管的研究都具有较高的水平。据资料介绍[3 ] , 日本现正在积极研究新型扩展表面。
3. 4 流体旋转法
    这种强化技术主要用于单相流体管内强制对流换热, 使管内流体发生旋转运动。流体发生旋转可使贴近壁面的流体速度增加, 同时还改变了流体的流动结构, 加速了边界层流体的拢动及边界层流体和主流流体的混合,强化传热过程。
    在实际应用中, 能使流体旋转且在工艺上可行的方法有:在管内插入各种可使流体旋转的插入物,诸如扭带、错开扭带、静态混合器、螺旋片及金属线圈等;在换热管内壁上开设内螺纹;采用滚压成型的螺旋槽管及内肋管等。美国在这方面的研究处于领先地位。
3. 5 添加剂法
    在流动液体中加入气体或固体颗粒、在气体中喷入液体或加入固体颗料, 都可起到强化单相流体强制换热的作用。这些强化传热的方法统称为添加剂法。添加剂用于强化液体传热效果并不显著[4 ] ,在水流中加入氮气的试验, 发现传热系数仅增大了50 %; 在油中加入聚苯乙烯小球的试验也只是使换热系数增大了40 %左右。
    对空气中喷入液滴时的传热工况进行的研究表明[2 ] ,如能在换热面上形成连续液膜,则换热系数最多可增加30 倍。
    在气体中加入少量固体颗粒可以强化气体侧的传热。固体颗粒随气体一起流动, 可以减薄热阻最大的边界层厚度。添加剂强化技术的研究,英国、美国居领先地位。
3. 6 静电场法
    研究该项技术的文献较少。在液体中加一静电场以强化单相流体的对流换热量是一种有吸引力的强化传热方法。这种方法对气体和液体的自然对流和强制对流都能产生一定的强化传热效应。
    在静止流体中加上足够强度的静电场后, 会促使流体流动, 形成一股所谓的电晕风。它在一定条件下能强化单相流体的对流换热。日本Mizushina以空气为介质, 进行环形通道内电晕风对强制对流影响的试验, 分别得到了存在电晕风时的努赛尔数及阻力系数与雷诺数关系曲线及经验公式。
    采用静电场可使蒸发器的传热系数提高一个数量级,并克服油类介质对泡核沸腾的影响,也能使冷凝液膜产生波状失稳, 引起膜层减薄, 进而降低热阻,使传热系数增加2 倍。
4 国内应用情况
    我国强化换热技术的研究起步较晚。在处理表面技术上, 大连理工大学采用磁控溅射离子镀铬的方法处理铜管, 使传热系数提高40 %以上。华南理工大学进行过粗糙表面法试验, 得到了优化的几何尺寸。扩展表面法研究的最多, 在工业上应用的也最多, 与光管比较结果见表2。其中西安交通大学、哈尔滨科技大学、华南理工大学、重庆大学等都有侧重研究,有些成果已工业化。

换热器


5 结束语
    单相流体强制换热和有相变强制对流换热的规律是大不相同的。因而, 采取的强化传热技术和效果也大不相同,即使在同一管道中流动的单相流体,如果流动状态不同, 其强制对流换热过程也不同。在气- 液换热器中, 液体侧的传热系数大大高于气体强制对流值。在某些气- 气换热器中, 传热面两侧的传热系数也存在差别, 因此应根据不同的工况决定采取哪种强化技术。鉴于强化传热的诸多优点,在石油化工生产装置上广泛采用此项技术,一定会取得可观的经济效益。

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